家用空调室外机抗飓风支架的设计校核及分析

2020-03-02鲁文喜

机械工程师 2020年2期

鲁文喜

（英格索兰亚太工程技术中心，上海200051）

0 引言

近年来，飓风等自然灾害频繁发生，室外安放的家电设备如果加固不当，会遭受猛烈的飓风冲击。针对飓风频发区，对于家用空调室外机的安装固定要求就显得尤为重要。本文提到的设计采用钣金支架，钣金零件是采用金属薄板经过冲压、折弯、成型等加工的结构件，在家电产品中有着广泛的应用。通过对其结构进行合理的优化设计，可以在轻量化、低成本的基础上实现较高的强度和刚度[1]。

本文依据室外机在飓风状态下的受力条件，通过力矩平衡计算获得支架所受到的载荷。结合有限元分析软件ANSYS Workbench，对支架进行应力和变形分析校核。

1 室外机及支架分析

本文研究的某特定型号的空调室外机，内部包含压缩机、热交换器、风机、控制面板及底座等，通过钣金支架将底座固定在房屋旁的水泥平台上，如图1所示。抗飓风固定支架分布在外机两侧，图2为该外机的某一侧局部图。钣金支架对室外机起加强固定和压紧作用，使用时支架顶部与机器底座上边缘相连接，下端通过固定螺栓与水泥平台相连接，防止室外机在飓风来临时发生坠落或倾覆，从而损坏机器内部的部件，影响机器的正常运行。

图1 室外机水泥地上的安装

图2 抗飓风支架在室外机底部的安装

为了确保支架的设计能够满足法规要求，首先需要获得空调室外机的极端工作环境，以及在此外部环境下空调外机机体受到的载荷。其次需要计算其传导到支架上的载荷，最终通过简化分析转化为对支架的设计校核。此案例对空调外机的底座进行了高度和几何形状的重新设计，为此设计了新的抗飓风支架，以匹配新的外机底座。支架的钣金厚度保持与原设计相同，仅重新设计新的高度和形状，新旧设计对比如图3所示。支架在现场安装的布局也与原设计保持一致，所以本案例主要校核新的几何形状是否会导致支架发生失效。

图3 新旧设计对比

1.1 简化模型受力分析

为了获得空调外机所承受的压力，需要首先对其进行风载荷计算。本文以销售到北美Florida地区的家用空调外机为例，本设计参考美国Florida的建筑设计标准以及ASCE 7-10《建筑物和其他结构最小设计载荷》[2]。

美国气象部门应用的萨菲尔-辛普森飓风分级体系中，将不同级别的飓风共分为5个等级。其最高五级的持续风速达到157 mph（253 km/h）或者更高。一般需要通过第三方的专业工程师对最后抗飓风的结构进行建议和认证。

设计瞬时风速为189 mph（304 km/h）,结合ASCE 7-10中26～30章节关于风载荷的计算公式：

式中：qz为速度压力；Kz为风压高度变化系数；Kzt为地形因素系数；Kd为风方向性因素系数；V为基本风速。

风压P的计算公式为

式中：P为风压；qz为速度压力；G为阵风影响系数；Cpi为风载体型系数。

风载荷的计算受多种因素的影响，如换为其他产品的结构模型，则各项计算系数取值会有所不同，不同结构形式进行设计计算时需按实际情况进行认真分析[3]。本设计所用参数依据Florida的专业工程师建议，具体计算过程不在此详述。假设安全系数取1.33的情况下，最终得到正面的风压为60 psf（2873 Pa）。

本空调室外机截面呈方形，结合室外机的大小，得到简化模型如图4所示。室外机的尺寸：高度为H，长度方向为D，宽度方向为W。在长度方向每边设置2个抗飓风支架，其总体实际尺寸为：H=45.17 inch=1.14 m;D=37.29 inch=0.95 m;W=34.29 inch=0.87 m。

图4 室外机简化模型

图5 长边方向受风的力矩平衡

1.2 支架-合力及力矩平衡

一般而言，对于支架的载荷分析，需要首先对其进行合力平衡的计算，包括水平和竖直两个方向。水平方向的分力包括风载荷作用在面板的力、左右两侧对称支架水平剪切力及底座与水泥地面的静摩擦力。竖直方向的分力包括外机自重和左右两侧对称支架压紧力。

结合简化的受力模型分析和实际的安装情况，整个室外机在受到飓风侵袭时，本案例最主要的失效模式为倾覆，故可以对其进行力矩平衡计算，以评估在最大风压下，抗飓风支架需要提供的压紧力，以保证室外机在室外的稳定牢固。

虽然理论上迎风面积越大，风载荷对室外机产生的推力越大。但当风载荷作用在长边和短边侧面时，由于力矩中心在不同的位置，支架上产生的力矩、力臂不一样，故需要分别对长边、短边侧进行分析，寻找较大的作用力。

当长边的右侧面受到飓风侵袭时，整机左侧的长边可以视为力矩的中心，记为a,如图5所示。本机的自重G=295 lb=133 kg，沿Y向，简化其质心的位置在机器正中心，故其力臂为W/2。那么钣金支架需要提供在室外机底座上的力即为Fy。

将以上参数转换为力矩平衡计算：

式中：Fh=P·H·D,即为较大面所受到的合力,其力臂为H/2 ,P为风压。

将上述已知的数据代入式（3），可以得到Fy= 314.78 lbf=1400 N。

初始设计时，左右侧各2个支架，但左侧的2个支架刚好在力矩中心位置，所以主要承担载荷的为右侧的2个钣金支架，所以分配到每一个支架的力为F=Fy/2=157.38 lbf=700 N。

而当短边的前侧面受到飓风侵袭时（如图6），后侧的短边可以视为力矩的中心，记为b,如图7所示。机器自重的力臂为D/2, 支架距边缘的距离为t, 依据以上类似的计算方法，可以得到

式中，Fh=P·H·W,即为较小面所受到的合力,其力臂为H/2，P为风压。将上述已知的数据代入式（4），可以得到Fy=272.61 lbf=1213 N。

图6 短边方向受风简图

图7 短边方向受风的力矩平衡

同时为简化计算，仅考虑左右两侧后排No.2的支架提供的压紧力。左右两侧共有2个钣金支架，所以分配到每一个支架的力为F=Fy/2=136.31 lbf=606 N。

由上可见，以不同的边进行力计算时，较长边所产生的作用在支架的力更大，在后续的有限元分析中，采用F=157.38 lbf=700 N作为有限元分析作用在支架上输入载荷的大小。

需要提到的是，由于风向的不确定性，并不是所有的风都从短边或长边的正面吹过来，可能也会从侧角吹过来，直接作用在机器的侧面板上。如果是全新的支架设计和位置布局，需要考虑不同风向的影响，必要时需要在整机四周布局新增支架，但其计算方式与上面提到的过程类似。一般来说，不同的机器尺寸大小和不同的使用环境，其所使用的支架也有差异，这些一般都需要在机器的抗飓风支架的附件手册中集中体现。本例的支架由于是在原有的设计上进行的更新设计，所以暂不考虑其他的风向，简化分析载荷。

2 有限元分析校核

传统的结构设计需要结构设计工程师拥有丰富的设计经验和一定的计算能力，而ANSYS Workbench拥有强大的分析功能，可以帮助工程师快速检验和校核设计，大大缩短产品开发周期。进行静力有限元分析时，一般需要进行模型导入简化、材料属性输入（弹性模量、密度和泊松比等）、接触设置、网格划分、载荷设置和分析计算等步骤。

将通过三维软件设计的组件或零件导入Workbench时需要进行必要的简化，特别是当组件零件非常多或零件较为复杂时，需要去除不必要的零件、删除零件上没必要的圆角等特征和定义零件之间的接触关系等。为加快分析和计算时间，本例直接根据合力平衡和力矩平衡计算，从而获得作用于抗飓风支架上的最大作用力。无需将整机模型导入到Workbench中，只需对单个支架的结构强度进行校核，从而减少模型简化、网格划分和分析计算等的时间，大大简化分析流程。

2.1 材料输入

抗飓风支架是由厚度为0.060 inch（1.5 mm）的钣金经过冲压和折弯形成，大体呈Z形，零件整体长宽高尺寸为38 mm×28 mm×48 mm,材料为某碳钢。在进行有限元分析时，采用各向同性，其弹性模量E=200 GPa, 泊松比为0.3，材料密度为7.8 g/cm3,屈服强度为41000 psi（283 MPa）。

2.2 确定边界和加载力

本分析集中研究抗飓风支架的强度，将图8显示的与底座连接的侧面辅助螺钉孔的约束一并考虑。所以基于前文提到的简化，在Workbench中的边界设定主要是将支架底部与水泥地面通过螺栓连接。其载荷则主要是作用于支架顶部，其力的大小与Fy大小相等，方向竖直向上，如图9所示。

图8 侧面辅助螺钉孔

图9 简化的支架模型

2.3 变形及应力分析结果

为了查看当前更改的支架设计是否依然满足整机抗飓风要求，主要通过最大变形和应力两个指标来查看零件是否处于失效状态。设计目标为在遭受最大变形时，支架依然可以压住机器，不至于与机器分离。其应力不超过屈服强度。基于以上的材料、边界和载荷输入，通过有限元分析得到的计算结果如图10、图11所示。其中图10为载荷下的变形图，图11为应力分布图。

图10 变形图

图11 应力分布

根据图中分析得到最大形变位置发生在钣金支架的上端，最大变形量为0.076 inch（1.93 mm）, 而零件设计的扣搭边（支架顶部钩状特征，用于固定住整机底座）尺寸为0.2 inch（5.08 mm），故不会由于支架上端变形而产生与室外机底座分离现象而产生失效。从应力的分析结果得知，在底部螺钉固定位置处最大（如图12），结合实际制造和安装工艺考虑，最终选取将转角折弯处的应力纳入校核范围（如图13），其等效的Von-Mises应力达到38 171 psi（263 MPa），小于材料的屈服强度41 000 psi（283 MPa）。